Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)TCP擁塞控制研究.pdf

1、無(wú)線自組網(wǎng)(Ad Hoc網(wǎng)絡(luò))是由一組帶有無(wú)線收發(fā)裝置的移動(dòng)節(jié)點(diǎn)組成的、多跳、臨時(shí)性自組織網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)中的每個(gè)節(jié)點(diǎn)既可能作為發(fā)送數(shù)據(jù)流的源主機(jī)，也可能作為轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)流的路由器。無(wú)線網(wǎng)絡(luò)多跳、多對(duì)一的通信方式及無(wú)線鏈路質(zhì)量，都容易引起網(wǎng)絡(luò)的局部或全局擁塞。由于Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)的帶寬資源非常有限，因此擁塞研究顯得十分重要。
　　 論文分別從擁塞控制的源端算法與鏈路算法兩個(gè)方面，重點(diǎn)研究了Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)的TCP擁塞控制機(jī)

2、制。本文首先分析了主動(dòng)隊(duì)列管理(Active Queue Management，AQM)的比例積分(Proportional Integral，PI)與比例積分微分(Proportional Integral Differential，PID)算法的穩(wěn)定性與魯棒性；其次建立了Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)的TCP/AQM微分模型；再次設(shè)計(jì)了一種比例求和微分(PSD)的神經(jīng)元PID主動(dòng)隊(duì)列管理控制器；最后基于擁塞控制原理，建立了Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)TCP性

3、能模型。論文主要研究?jī)?nèi)容如下：
　　 (1)主動(dòng)隊(duì)列管理PID算法的穩(wěn)定性是實(shí)現(xiàn)其擁塞控制的基礎(chǔ)。目前的PID設(shè)計(jì)及整定大多基于經(jīng)驗(yàn)和試湊，往往得到一些孤立的整定結(jié)果，缺乏穩(wěn)定區(qū)域的理論分析。針對(duì)Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)的無(wú)線與時(shí)滯特點(diǎn)，分析了PID算法在時(shí)延Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)中的穩(wěn)定性，在不同的微分系數(shù)下，分別給出了時(shí)延系統(tǒng)PID-AQM控制的穩(wěn)定區(qū)域。與傳統(tǒng)的工程整定比較，穩(wěn)定區(qū)域研究提供了時(shí)滯系統(tǒng)的PID穩(wěn)定理論依據(jù)，為整定PID參

4、數(shù)帶來便利。通過Matlab和NS(Network Simulator)仿真，驗(yàn)證了穩(wěn)定區(qū)域的結(jié)論及優(yōu)越性。
　　 (2)由于研究者建立的控制對(duì)象模型只能是實(shí)際物理系統(tǒng)不精確的表示，在模型不精確或控制對(duì)象發(fā)生變化的條件下，控制系統(tǒng)仍能保持原有的控制性能，這是魯棒性控制的目標(biāo)，因而魯棒性也是Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)AQM控制算法的重要性能指標(biāo)。目前AQM的PI算法大多基于經(jīng)驗(yàn)和試湊來設(shè)計(jì)和整定控制器系數(shù)，而作為控制對(duì)象的Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)，

5、其環(huán)境參數(shù)經(jīng)常變化，控制器系數(shù)能在多大程度上保持系統(tǒng)穩(wěn)定，還缺乏魯棒性的理論分析。根據(jù)魯棒控制理論，分析了PI算法在時(shí)延Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)中的魯棒性，推導(dǎo)了PI控制器確定時(shí)的鏈路容量、TCP連接數(shù)量和時(shí)延之間的關(guān)系，給出了某個(gè)PI控制參數(shù)下的時(shí)延R0的變化范圍。通過Matlab和NS仿真，驗(yàn)證了時(shí)延參數(shù)魯棒性的范圍。
　　 (3)主動(dòng)隊(duì)列管理研究通常關(guān)注隊(duì)列控制器設(shè)計(jì)，而作為被控對(duì)象，傳輸控制協(xié)議(TCP)往往利用NS仿真實(shí)現(xiàn)，A

6、d Hoc網(wǎng)絡(luò)的TCP機(jī)制與AQM的相互關(guān)系尚不明確，因此有必要研究Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)TCP及AQM特性。基于TCP窗口加性增、乘性減規(guī)則及排隊(duì)原理，推導(dǎo)了TCP窗口及隊(duì)列的微分方程，再基于比例積分的AQM控制，推導(dǎo)了擁塞丟棄概率的微分方程，通過聯(lián)立微分方程組，提出了Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)TCP/AQM微分模型。與NS的對(duì)比仿真顯示，新模型能較好地估計(jì)Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)性能，基于本模型的研究也表明，網(wǎng)絡(luò)跳數(shù)、無(wú)線丟失和過小的隊(duì)列成為AQM性能瓶頸

7、，隊(duì)列信息則有助于TCP區(qū)分Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)的擁塞丟棄與無(wú)線丟失。
　　 (4)在AQM眾多控制算法中，神經(jīng)元PID算法能較好地控制隊(duì)列長(zhǎng)度，但其神經(jīng)元增益對(duì)被控對(duì)象的狀態(tài)較為敏感，恒定的神經(jīng)元增益設(shè)定往往使控制效果難以保證?；赥CP窗口加性增、乘性減規(guī)則及AQM原理，推導(dǎo)了TCP窗口、擁塞丟棄概率及隊(duì)列長(zhǎng)度的微分方程。對(duì)該微分方程使用小擾動(dòng)線性化理論，獲得Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)TCP/AQM擁塞控制系統(tǒng)模型?；谠摽刂葡到y(tǒng)模型，將

8、遞推計(jì)算修正功能引入神經(jīng)元PID，設(shè)計(jì)了一種神經(jīng)元自適應(yīng)PSD(Proportional Summation Differential)的AQM，該算法可以根據(jù)網(wǎng)絡(luò)對(duì)象狀況在線調(diào)整神經(jīng)元增益。NS仿真表明，在無(wú)線分組丟失、突發(fā)流及鏈路容量變化的Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)中，PSD隊(duì)列管理性能優(yōu)于神經(jīng)元PID。
　　 (5)由于Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)的多跳和無(wú)線信道特性，Padhye提出的有線TCP Reno模型不能準(zhǔn)確反映Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)的吞吐

9、量，而目前的Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)TCP性能建模往往利用馬爾科夫鏈?；?02.11協(xié)議DCF(Distributed Coordination Function)的RTS/CTS(RequestTo Send/Clear To Send)通信機(jī)制，推導(dǎo)了多跳拓?fù)涞目捎面溌啡萘?，根?jù)TCP的Tahoe版本及Reno版本擁塞窗口規(guī)則，分別建立了TCP窗口、可用鏈路容量及分組丟棄概率的數(shù)學(xué)關(guān)系，由此獲得Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)TCP Tahoe與Reno